Comprendre le filtrage du signal
Filtrage du signal est une technique essentielle de traitement du signal utilisée dans analyse des vibrations pour éliminer les composantes de fréquence indésirables d'un signal ou pour isoler certaines fréquences d'intérêt. Un filtre est essentiellement un circuit électronique ou un algorithme logiciel qui permet à certaines fréquences de « passer » tout en bloquant ou en atténuant les autres. C'est l'un des piliers discrets de la discipline : le filtrage s'effectue en continu au sein de chaque système numérique analyseur de vibrations sophistiqué pour garantir que les données analysées sont propres, précises et pertinentes pour la tâche de diagnostic à accomplir.
1. Définition : Qu’est-ce que le filtrage du signal ?
Chaque mesure brute de vibration est un mélange des signaux souhaités et de ceux qui ne le sont pas : bruit des capteurs, résonances structurelles, bourdonnement électrique et énergie provenant de gammes de fréquences qui ne concernent tout simplement pas la tâche en cours. Un filtre se définit par ses fréquence de coupure (le point à partir duquel il commence à s'atténuer) et son roll-off (à quel point il s'atténue au-delà de ce point). Tout l'art du filtrage consiste à laisser passer les informations pertinentes d'un signal tout en supprimant tout ce qui pourrait les masquer. Bien exécuté, il est imperceptible ; mal exécuté, il peut masquer le défaut même que vous cherchez à détecter.
2. Types courants de filtres dans l'analyse des vibrations
Il existe quatre types de filtres de base utilisés dans le traitement du signal, et chacun joue un rôle spécifique dans la chaîne de signal de l'analyseur :
- Filtre passe-bas: laisse passer les basses fréquences mais bloque les hautes fréquences. La fréquence à partir de laquelle le signal commence à être atténué est la fréquence de coupure.
- Filtre passe-haut: le contraire d'un filtre passe-bas : il laisse passer les hautes fréquences et bloque les basses fréquences.
- Filtre passe-bande: permet de laisser passer une bande ou une plage de fréquences spécifique tout en bloquant les fréquences inférieures et supérieures. Il s'agit, en fait, d'un filtre passe-haut et d'un filtre passe-bas fonctionnant conjointement.
- Band-Stop (or Notch) Filter: le contraire d'un filtre passe-bande : il bloque une bande étroite de fréquences tout en laissant passer toutes les autres. Le filtre coupe-bande est l'outil de prédilection pour éliminer une seule tonalité parasite, comme les interférences électriques à la fréquence du réseau.
3. Principales applications du filtrage
Les filtres sont utilisés de plusieurs manières critiques dans un analyseur de vibrations :
a) Filtres anti-aliasing
C'est sans doute l'application la plus importante du filtrage. Le filtre anti-aliasing est un filtre passe-bas à pente raide appliqué au signal analogique avant Il s'agit d'un processus de numérisation. Son objectif est d'éliminer toutes les composantes de fréquence supérieures à la fréquence maximale (Fmax) choisie par l'utilisateur pour la mesure.
Ceci est essentiel pour empêcher aliasing, une grave erreur de traitement du signal numérique dans laquelle les hautes fréquences « se replient » et se font passer pour des fréquences plus basses, produisant ainsi un résultat totalement erroné spectre à partir de données par ailleurs fiables. Étant donné que l'aliasing ne peut être corrigé une fois les données échantillonnées — les faux pics étant impossibles à distinguer des vrais —, le filtre anti-aliasing doit intervenir dans le domaine analogique, en amont du convertisseur. C'est le seul élément qui garantit l'intégrité de toutes les données numériques relatives aux vibrations.
b) Intégration et différenciation
Les vibrations sont mesurées en termes d'accélération, de vitesse ou de déplacement. Alors qu'un accéléromètre Bien qu'il s'agisse du capteur le plus courant, un analyste souhaite souvent visualiser les données en termes de vitesse, ce qui nécessite généralement d'intégrer le signal d'accélération. L'intégration amplifie considérablement le bruit à très basse fréquence — cette courbe en « pente de ski » bien connue qui monte en pente raide vers zéro Hz. Un filtre passe-haut élimine ce bruit avant l'intégration afin de produire un spectre de vitesse ou de déplacement propre et exploitable. L'opération inverse, la dérivation, a pour effet inverse et amplifie au contraire le bruit à haute fréquence.
c) Analyse d'enveloppe (démodulation)
Analyse d'enveloppe, la principale technique de détection défauts de roulements'appuie fortement sur le filtrage. Le processus comprend :
- En utilisant un filtre passe-bande afin d'isoler une bande de hautes fréquences dans laquelle se trouvent les signaux d'impact des roulements — ainsi que toute résonance structurelle qu'ils provoquent.
- Traiter ce signal filtré par démodulation afin d'extraire la fréquence de répétition (l'« enveloppe ») des impacts.
- Analyser le spectre de ce signal d'enveloppe afin d'identifier les fréquences de défaut du roulement.
Le filtre passe-bande est ici essentiel pour éliminer les signaux de forte intensité et de basse fréquence — tels que les déséquilibres à vitesse de fonctionnement — qui, sans cela, masqueraient les signaux de défauts de roulements, faibles et de faible intensité, bien avant qu'ils n'atteignent un niveau dangereux.
d) Filtrage diagnostique
Les analystes peuvent également appliquer des filtres numériques aux données une fois celles-ci collectées, afin de faciliter le diagnostic. Par exemple, un filtre passe-bande permet d'isoler les vibrations autour d'une fréquence spécifique fréquence d'engrènement pour avoir une meilleure vue d'ensemble de la bandes latérales qui indiquent l'apparition d'un défaut au niveau de l'engrenage. Un filtre de suivi de commande remplit une fonction similaire sur les machines à vitesse variable, en se verrouillant sur un multiple donné de la vitesse de fonctionnement à mesure que celle-ci varie.
4. Filtrage dans l'équilibrage des champs
Le filtrage n'est pas seulement une aide au diagnostic : il est essentiel pour équilibrage sur place. Pour équilibrer un rotor, l'appareil doit extraire la vibration correspondant exactement à une vitesse de rotation de 1× et rejeter tout le reste. Un analyseur portable à deux canaux tel que le Balanset-1A utilise un filtre de poursuite synchrone, référencé sur l'impulsion émise une fois par tour par son tachymètre, pour mesurer l'amplitude de 1× et phase de manière nette, même lorsque le bruit de bande large est important. Sans ce filtrage, le petit vecteur 1× répétable nécessaire au calcul d'un poids de correction serait noyé dans le bruit environnant.
5. Pièges à éviter et bonnes pratiques
- Éliminer les preuves : Un réglage trop agressif du filtre passe-bas peut éliminer les hautes fréquences qui révèlent les premiers signes de défaillance des roulements. Choisissez une fréquence Fmax adaptée au type de défaut que vous recherchez.
- Distorsion de phase : Les filtres modifient la phase du signal à proximité de leur fréquence de coupure. Lorsque la phase est importante — par exemple pour l'équilibrage, orbite graphiques — il est indispensable d'utiliser un filtre présentant une réponse en phase linéaire et stable.
- Oublier le groupe : En analyse d'enveloppe, le choix d'un centre de bande passante qui ne coïncide pas avec la résonance transportant l'énergie de l'axe donne un spectre d'enveloppe plat et sans intérêt.
